Der IIS3DWB10IS ist der erste digitale Vibrationssensor mit einem Frequenzbereich von mehr als 10 kHz und ebnet damit den Weg für eine leistungsfähigere Anomalieerkennung und vorausschauende Wartung sowie für neue Anwendungen in der Robotik und der Stoßerkennung. Bisher mussten Ingenieure auf deutlich teurere piezoelektrische Sensoren zurückgreifen, um eine solche Bandbreite abzudecken. Darüber hinaus verfügt der IIS3DWB10IS im Vergleich zu seinem Vorgänger (dem IIS3DWB) über eine verbesserte ISPU (Intelligent Sensor Processing Unit). Sie kann höhere Datenströme des Sensorelements verarbeiten (mit einer Abtastrate von bis zu 80 kHz) und Berechnungen direkt auf dem Baustein ausführen. Aktuell verzeichnen wir knapp ein Dutzend Design-Wins und etwa viermal so viele Design-Ins, ein Beleg für das überaus positive Feedback unserer ersten Kunden.
Warum waren digitale Vibrationssensoren mit hoher Bandbreite bisher unmöglich?
Die Vibrationsanalyse ist nach wie vor äußerst beliebt, unter anderem weil sie maschinelles Lernen am Edge ermöglicht. Es gibt zwar viele Möglichkeiten, die Daten zu erfassen, mit denen neuronale Netze arbeiten, doch einige der frühesten Anwendungen setzten auf die Überwachung von Vibrationen, um Anomalien zu erkennen. Entscheidend für den Erfolg der Vibrationsanalyse ist, dass die Sensoren kostengünstig, unkompliziert und in nahezu jedem Maßstab einsetzbar sind. Vibrationen bei Frequenzen über 10 kHz zu erfassen bleibt jedoch so schwierig, dass Ingenieure entweder einen zusätzlichen piezoelektrischen Sensor und eine leistungsfähigere MCU einsetzen oder ganz auf die Erfassung verzichten müssen. Der Grund: Die Erfassung derart hoher Frequenzen erfordert komplexere Sensorelemente und ASICs, die mit enormen Abtastraten umgehen können.
Was macht der IIS3DWB10IS anders?
Eine neue Architektur
Der IIS3DWB10IS begegnet den typischen Herausforderungen von Vibrationssensoren mit einer völlig neuen Architektur und einem neuen ASIC. Möglich wird die neue Architektur durch einen komplett neuen Lithografieprozess, der zwei Epitaxieschichten statt nur einer auf die vergrabene Polysiliziumschicht aufbringt. Eine solche Architektur zu entwickeln bringt eigene strukturelle Herausforderungen mit sich, weshalb konkurrierende Bausteine auf einen einfacheren Ansatz setzen. Wir konnten diese Herausforderungen jedoch dank unserer jahrzehntelangen Erfahrung in der MEMS-Fertigung meistern und bieten damit etwas an, das derzeit kein anderes Unternehmen der Branche verkauft.
ISPU 2.0
Die zweite entscheidende Innovation, die den IIS3DWB10IS möglich macht, ist eine ISPU, die die enorme Informationsmenge verarbeiten kann, die bei der Erfassung hochfrequenter Vibrationen anfällt. Konkret bedeutet das eine 32-Bit-RISC-Architektur mit eigenem RAM, um Engpässe zu reduzieren. Sie verfügt außerdem über eine Hardware-Gleitkommaeinheit zur Optimierung von FFT- und RMS-Echtzeitberechnungen, die in Condition-Monitoring-Anwendungen unverzichtbar sind, und bleibt für den Low-Level-Zugriff in C programmierbar. Dadurch kann das System mehr erledigen, bevor der Host-MCU einbezogen wird, was die Energieeffizienz verbessert.
Wie überzeugt der IIS3DWB10IS Ingenieure?
Ein niedriges Rauschniveau
Hinter den Datenblättern und technischen Erläuterungen stehen zwei Tatsachen, die das positive Feedback der ersten Anwender des IIS3DWB10IS erklären. Erstens kann er, obwohl er der erste digitale Vibrationssensor seiner Art ist, mit deutlich teureren piezoelektrischen Alternativen mithalten. Das liegt unter anderem daran, dass der IIS3DWB10IS eine Rauschdichte von 35 µg/√Hz aufweist. Sie ist zwar nicht so niedrig wie bei einem klassischen piezoelektrischen Sensor, liegt aber weit unter den 50 µg/√Hz, die die meisten Ingenieure anstreben. Zugleich vereinfacht der IIS3DWB10IS den Designprozess erheblich und trägt dazu bei, die Stückliste deutlich zu reduzieren. Kurz gesagt: Dieser Kompromiss hat viele Teams überzeugt, auf unseren Baustein umzusteigen.
Ein sehr großer Messbereich
Zweitens wird leicht übersehen, dass der IIS3DWB10IS einen vom Anwender wählbaren Messbereich von ±50 bis ±200 bietet, ohne dass das Rauschen zunimmt, sodass Teams ein einziges Bauteil für ein breites Spektrum an Anwendungen nutzen können. Wir wissen, dass die meisten Industrieanwendungen nur ±50 g und eine maximale Betriebstemperatur von 125 ºC erfordern. Viele Wettbewerbslösungen begrenzen ihren Messbereich jedoch, um ihr Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Der IIS3DWB10 bietet nicht nur eine einzigartig hohe Bandbreite und unterstützt diese Temperaturen, sondern stellt auch einen Messbereich bereit, der die meisten Erwartungen übertrifft. Das heißt, die meisten Teams müssen nur ein einziges Bauteil für alle ihre Anwendungsfälle qualifizieren.